Quanten-Superkleber im Visier - scinexx | Das Wissensmagazin
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Unkonventionelle Supraleitung

Quanten-Superkleber im Visier

Stickstoff gekühlter Supraleiter schwebt über Dauermagneten © Henry Mühlpfordt / GFDL

Hochtemperatur-Supraleiter werden bei viel höheren Temperaturen supraleitend. Also muss in ihnen ein viel stärkerer Cooperpaar-Kleber wirken, damit die Gitterschwingungen die Paare nicht auseinanderreißen. Viele Indizien sprechen dafür, dass dieser Quanten-Superkleber ganz anders funktioniert als über Gitterschwingungen. Deshalb gilt er als Merkmal unkonventioneller Supraleitung. Eine schlüssige Theorie fehlt noch, doch eines ist klar: Supraleitung und Magnetismus spielen bei unkonventioneller Supraleitung eng zusammen.

Das ist überraschend, denn für konventionelle Supraleiter ist Magnetismus das reinste Gift. „Weniger als ein Prozent magnetischer Atome als Verunreinigung im Kristall zerstört schon dessen Supraleitung“, erläutert Frank Steglich. Magnetische Atome bringen ein Elektron ins Kristallgitter ein, dessen nicht abgeschirmter Spin als kleiner Magnet am Platz des Atoms wirkt. Kommt nun in einem konventionellen Supraleiter ein Elektron eines ausgedehnten Cooperpaares vorbei, dann zwingt der lokale Spin dieses, seinen Spin passend umzuklappen. Dieser Seitensprung zerstört aber die schwache bosonische Ehe mit dem weit entfernten „Cooperpartner“. Geschieht das zu oft, dann bricht die Supraleitung zusammen.

Cooperpaare mit besonders starkem Kleber

Bei unkonventionellen Supraleitern hingegen scheinen bestimmte Formen von Magnetismus geradezu förderlich zu sein. Das gilt auch für Schwere-Fermionen-Supraleiter, die Frank Steglich vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden seit mehr als drei Jahrzehnten faszinieren: „Heute kennen wir knapp vierzig von ihnen!“ Die meisten Schwere-Fermionen-Supraleiter verlieren erst bei sehr niedrigen Temperaturen ihren Widerstand. „Wenn wir ungefähr zwei Kelvin, also minus 271 Grad Celsius haben, sind wir schon froh“, erklärt Steffen Wirth, ein Mitarbeiter von Steglich, die Herausforderung. Trotzdem erhoffen die Dresdener sich von solchen Supraleitern, auch zur Lösung des Rätsels um den Klebemechanismus in Hochtemperatur-Supraleitern beitragen zu können. Was aber ist ein Schweres Fermion?

Ein unkonventioneller Supraleiter: Das Material aus Cer (blau), Kupfer (türkis) und Silicium (gelb) verdankt seine besonderen Eigenschaften bestimmten Elektronen im Seltenen-Erden-Metall Cer. © MPI für Chemische Physik fester Stoffe

Urvater der Schwere-Fermionen-Supraleiter

Die Teilchen sind in einem Kristallgitter zu finden, zu dessen Grundbausteinen jeweils ein magnetisches Atom gehört: Cer zum Beispiel übernimmt diese Rolle in der Cer-Kupfer-Silicium-Verbindung CeCu2Si2, in der 1979 zum ersten Mal unkonventionelle Supraleitung entdeckt wurde. Inzwischen kennen die Dresdener diesen Urvater der Schwere-Fermionen-Supraleiter so gut, dass sie seine Eigenschaften bei der Kristallzucht genau einstellen können: Ein winziger Überschuss an Kupfer macht ihn zum Supraleiter, ein kleines Defizit zu einem Antiferromagneten.

Bei Antiferromagneten richten sich die den Magnetismus tragenden Elektronen, die beim Cer nach ihrem Platz in dessen Elektronenschalen 4f-Elektronen heißen, von Atom zu benachbartem Atom immer entgegengesetzt aus. Ihr gemeinsames Magnetfeld hebt sich also im Mittel perfekt auf. Deshalb heißt diese magnetische Ordnung Antiferromagnetismus, denn sie ist das Gegenstück zum weithin spürbaren Ferromagnetismus, der seinen Namen dem Eisen (lat. ferrum) verdankt.

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Honigzähe Quantenflüssigkeit

In CeCu2Si2 als typischem Vertreter entwickeln die lokalen 4f-Elektronen bei sehr tiefen Temperaturen einen besonders starken Einfluss auf die freien Leitungselektronen: Sie verbinden diese, einfach gesagt, zu einer honigzähen Quantenflüssigkeit. Die darin steckenden Elektronen schleppen sich nun träge durch das Gitter – bis zu tausend Mal langsamer als normale Leitungselektronen. „Diese neuen Quasiteilchen verhalten sich also wie Elektronen, die scheinbar eine bis zu tausendfach größere Masse haben“, sagt Steglich, „weshalb wir dafür Ende der 1970er-Jahre den Begriff Schwere Fermionen prägten.“

Die Schweren Fermionen formen in solchen Supraleitern auch die Cooperpaare. Wegen ihrer Trägheit müssen die beiden Partner dafür jedoch nahe zusammenrücken, um sich miteinander verbinden zu können. Damit stoßen sie sich aber umso kräftiger elektrisch voneinander ab. Folglich muss der Kleber zwischen ihnen viel stärker sein als in konventionellen Cooperpaaren. Deshalb war schon vor über drei Jahrzehnten klar, dass der klassische BCS-Mechanismus hier nicht funktioniert.

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Roland Wengenmayr / MaxPlanckForschung
Stand: 15.07.2011

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Paare in leitender Funktion
Phänomen Supraleitung

Ein niederländischer Physiker schreibt Geschichte
Die Entdeckung der Supraleitung durch Heike Kamerlingh Onnes

Ehe im weichen Gitterbett
Weiche Schwingungen verbinden zwei Elektronen

Quanten-Superkleber im Visier
Unkonventionelle Supraleitung

Kleine „Blasen“ im allgemeinen Chaos
Alternative Klebemechanismen

Eine Rennbahn für Leitungselektronen
Wie Supraleitung in Kupraten funktioniert

Fermion, Cooperpaar und Spinfluktuationen
Ein Glossar

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